Управление генетическими кукловодами: инженеры получили контроль над активностью генов

Исследователи из Университета Дьюка разработали новый метод для точного контроля над тем, когда гены включаются и становятся активными.

Технология позволяет включать специфические промоторы и энхансеры — участки генома, контролирующие активность генов — путём химического воздействия на белки, упаковывающие ДНК. Эта сеть биомолекул, поддерживающая и контролирующая активность генов, известна как эпигеном.

Умение управлять эпигеномом поможет исследовать роль конкретных промоторов и энхансеров в судьбе клетки или риске генетических заболеваний. Это также может открыть новые пути для генной терапии и направления дифференцировки стволовых клеток.

Исследование опубликовано онлайн 6 апреля в Nature Biotechnology.

Эпигеном — это всё, что связано с геномом, кроме самой генетической последовательности. Он так же важен, как и ДНК, для определения функции клетки в здоровых и болезненных состояниях. Это становится очевидным, если учесть, что у нас более 200 типов клеток, а ДНК в каждой из них практически одинакова. Эпигеном определяет, какие гены активирует каждая клетка и в какой степени.

Этот генетический кукловод состоит из белков упаковки ДНК, называемых гистонами, и множества химических модификаций — либо этих гистонов, либо самой ДНК, — которые помогают определить, включён ген или выключен.

Однако команде Чарльза Герсбаха не пришлось модифицировать сами гены, чтобы получить контроль.

Рядом с каждым геном находится последовательность ДНК, называемая промотором, которая контролирует его активность. Но есть и множество других участков генома, называемых энхансерами, которые не находятся рядом с какими-либо генами, но при этом играют критическую роль в регуляции генной активности.

Тимоти Редди потратил большую часть последнего десятилетия на картирование миллионов таких энхансеров по всему человеческому геному. Однако не было хорошего способа выяснить, что именно делает каждый из них. Энхансер может влиять на соседний ген или на несколько генов по всему геному — или, возможно, ни на один.

Чтобы активировать эти энхансеры и посмотреть, что они делают, Редди предположил, что можно химически изменить гистоны в энхансерах, чтобы включить их.

Уже существуют препараты, влияющие на энхансеры по всему геному, но это похоже на выжигание земли. Редди хотел создать инструменты для модификации очень специфических эпигенетических меток в очень специфичных местах, чтобы выяснить, что делают отдельные энхансеры.

Специфичность была достигнута благодаря сотрудничеству с Герсбахом, который специализируется на системе нацеливания на гены под названием CRISPR. Изначально открытая как естественная противовирусная система у бактерий, CRISPR в последние годы используется исследователями для разрезания и вставки последовательностей ДНК в геноме человека.

Для этого применения редактирования эпигенома Герсбах отключил механизм разрезания ДНК у CRISPR и использовал систему исключительно для доставки фермента (ацетилтрансферазы) к специфичным промоторам и энхансерам.

CRISPR используется, чтобы найти генетический адрес и изменить упаковку ДНК в этом конкретном месте.

Искусственный эпигенетический агент был протестирован на нескольких хорошо изученных промоторах и энхансерах генов. Хотя эти модификации гистонов давно ассоциировались с активностью генов, было неясно, достаточно ли их для включения генов. И хотя ранее команда использовала другие технологии для активации промоторов генов, им не удавалось успешно активировать энхансеры.

К большому удивлению дуэта, агент не только активировал промоторы генов, но и включал соседние гены лучше, чем их предыдущие методы. Не менее удивительно, что он сработал и на энхансерах: они могли включить ген — или даже семейства генов — нацеливаясь на энхансеры в отдалённых участках генома, чего их предыдущие активаторы генов делать не могли.

Но настоящий интерес результатов заключается в зарождающейся возможности исследовать миллионы потенциальных энхансеров так, как это никогда не было возможно раньше.

Некоторые генетические заболевания просты — если у вас есть мутация в конкретном гене, то у вас есть болезнь. Но многие заболевания, такие как рак, сердечно-сосудистые или нейродегенеративные состояния, имеют гораздо более сложный генетический компонент. Многие различные вариации в последовательности генома могут влиять на риск заболевания, и эта генетическая вариация может происходить в энхансерах, которые идентифицировал Тим, изменяя уровни экспрессии генов. С помощью этой технологии можно исследовать, что именно они делают и как это связано с болезнью или реакцией на лекарственную терапию.

Эта техника может быть использована для генной терапии, чтобы активировать гены, которые были аномально заглушены, или контролировать пути, по которым стволовые клетки становятся разными типами клеток.